基于混合遗传算法的蛋白质结构预测研究

论文摘要

蛋白质结构预测问题就是如何从蛋白质的氨基酸序列出发预测它的功能、构象折叠等问题。怎样由一定的氨基酸顺序排列的多肽链生成一定空间结构的蛋白质,这是一个人类破译生命奥秘的重大问题。蛋白质的折叠问题就是通过蛋白质的一级结构来预测蛋白质的三维结构。蛋白质折叠热力学假说中明确指出蛋白质一级结构可以完全决定其空间构型,天然结构下的蛋白质的自由能是全局最小值。因而如何从一级结构预测其三维构型以及如何找到蛋白质折叠能量函数的最小值就成为目前国内外的研究热点。蛋白质折叠过程是热力学过程和动力学过程的综合,其折叠的随机性、过程的复杂性可想而知。因而要对折叠过程进行研究,寻找能量函数的极小值必须借助简化模型和特殊方法进行。 本文首先探讨了如何求解蛋白质结构的能量问题。理想的能量函数应该能够精确表达蛋白质的所有原子空间位置及其能量之间的关系。但是由于蛋白质分子本身的复杂性,直接综合其生物、物理、化学等各方面性质建立的模型自由度非常大,求解问题将会遇到很多困难。因此,求解时必须对能量函数进行适当的简化。基于这种目的,本文将已有能量函数与HP格子模型相结合,构建了一种简化的能量函数。 在搜索最小自由能的蛋白质的三维结构这个问题上,本文采用的蛋白质三维组态模型是HP立方格点模型,详细论述了HP立方格点模型的组成方式、表示方法、特征以及如何用数据结构来对其进行描述;在这个模型的基础之上,首先随机生成N个三维空间结构,然后利用混合遗传算法,在巨大的蛋白质三维组态空间中进行搜索,模拟蛋白质的折叠过程并找到自由能最小的蛋白质空间结构。 搜索出自由能最小的天然蛋白质空间结构后,本文根据组成该蛋白质的每个氨基酸的空间位置和属性,利用Java3D技术对其结构进行仿真。 最后总结了本论文所做的工作,并指出本课题领域有待于进一步研究的问题。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及现伏
• 1.2 研究目的与技术路线
• 1.2.1 研究目的
• 1.2.2 技术路线
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 HP立方格点模型
• 1.3.2 搜索自由能最小的天然蛋白质三维结构
• 1.3.3 折叠过程的可视化
• 1.4 论文的组织
• 第2章 蛋白质与蛋白质结构预测
• 2.1 蛋白质简介
• 2.1.1 氨基酸及其基本结构
• 2.1.2 蛋白质的基本组成
• 2.1.3 蛋白质的结构
• 2.1.4 蛋白质的功能
• 2.2 蛋白质三维结构预测
• 2.2.1 蛋白质三维结构预测的研究背景
• 2.2.2 蛋白质三维结构预测的意义
• 2.3 获得蛋白质三维结构的两种方法
• 2.3.1 蛋白质序列分析方法
• 2.3.2 蛋白质折叠
• 2.3.3 蛋白质折叠与蛋白质序列分析方法的区别
• 2.4 蛋白质三维结构模型
• 2.4.1 HP格子模型简介
• 2.4.2 二维整点模型
• 2.4.3 立方格点模型
• 2.4.4 三角格子模型
• 2.4.5 蛋白质折叠中的其它几种模型
• 第3章 能量函数优化模型
• 3.1 经验势能函数
• 3.2 平均势能函数
• 3.2.1 平均势函数
• 3.2.2 简化平均势函数
• 3.3 基于简化能量函数的HP立方格点模型的能量计算
• 第4章 基于混合遗传算法的蛋白质结构预测
• 4.1 模拟退火法
• 4.1.1 模拟退火算法及其基本思想
• 4.1.2 模拟退火算法的优缺点
• 4.1.3 基于模拟退火算法的蛋白质三维结构的预测
• 4.2 遗传算法
• 4.2.1 遗传算法及其基本思想
• 4.2.2 遗传算法的优缺点
• 4.2.3 基于遗传算法的蛋白质三维结构的预测
• 4.3 基于混合遗传算法的蛋白质结构预测
• 4.3.1 混合遗传算法及其基本思想
• 4.3.2 生成初始种群的算法描述
• 4.3.3 蛋白质折叠模拟退火和遗传算法实现描述
• 4.3.4 实验结果
• 第5章 基于JAVA3D的蛋白质结构仿真
• 5.1 Java3D技术
• 5.1.1 Java3D概述
• 5.1.2 Java3D与其他三维技术的比较
• 5.1.3 Java3D的场景图
• 5.1.4 Java3D的坐标系统
• 5.2 基于Java3D的蛋白质结构仿真
• 5.2.1 Java3D模拟蛋白质三维结构程序实现
• 5.2.2 试验结果
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要成果与创新点
• 6.2 有待进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录: 攻读期间发表的论文和参加的项目